Superposition – Zwei Zustände zur gleichen Zeit?
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Quantencomputer haben zweifellos das Potenzial, die IT-Welt nachhaltig zu verändern. Denn sie bieten eine vielfach höhere Rechenleistung als konventionelle Rechner. Doch bislang sind Quantenrechner wegen ihrer komplexen Technologie meist nur in Forschungslaboren anzutreffen. Lösungen wie der Quantencomputing-inspirierte Digital Annealer machen diese Quantencomputing-Effekte für Unternehmen einfach nutzbar.

Ein Grund dafür ist, dass die Digital-Annealing-Technologie ohne aufwendige Vorkehrungen auskommt, die bei einem »echten« Quantenrechner erforderlich sind: Solche Systeme erfordern eine Kühlung des Rechners fast bis auf den absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius). Außerdem müssen klassische Quantencomputer vor elektromagnetischer Strahlung und Erschütterungen geschützt werden. Ein klassisches Unternehmensrechenzentrum mit 19-Zoll-Racks kommt daher als Standort eines Quantenrechners nicht in Betracht.

Anders bei der Digital-Annealing-Technologie von Fujitsu: Ihr Herzstück ist ein spezieller Prozessor, der in konventioneller, Silizium-basierter Halbleitertechnik hergestellt wird und in herkömmliche IT-Infrastrukturen integriert werden kann. Diese Digital Annealing Unit (DAU) simuliert aufgrund einer speziellen Prozessorarchitektur Effekte des Quantencomputings und sorgt bei bestimmten Anwendungen, wie etwa der Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme, für immense Beschleunigungen im Vergleich zu herkömmlichen Rechnern. Berechnungen, die bislang Minuten oder gar Stunden dauern, sind damit in Sekundenschnelle möglich. Dies eröffnet gänzlich neue Ansätze – beispielsweise bei der (Neu-)Disposition von Produktions- oder Logistikabläufen in Echtzeit.

»Glühen« auf digitaler Ebene. Die hohe Rechenleistung von Quantencomputern ist auf folgenden Faktor zurückzuführen: Klassische Rechner arbeiten mit Bits, »kennen« also nur die Zustände 0 oder 1. Quantencomputer nutzen dagegen Qubits. Sie können drei Zustände einnehmen: 0, 1 sowie einen beliebigen dazwischen – die Superposition. Dadurch ist ein solcher Rechner in der Lage, viel mehr Möglichkeiten simultan zu berechnen als ein herkömmliches System.

Dieses Prinzip simuliert die Digital-Annealing-Technologie, weshalb Experten hierbei von »quantum-computing inspired computing« sprechen. Die technische Grundlage des Annealings ist ein Simulationsverfahren, das Eigenschaften des Quantentunnel-Effekts nutzt. »Annealing« bedeutet eigentlich »Glühen«. Es beschreibt einen Effekt, der beim Bearbeiten von Metall auftritt: Wird beispielsweise Stahl zum Glühen gebracht und anschließend auf kontrollierte Weise abgekühlt, lassen sich dem Metall bestimmte Eigenschaften »mitgeben«, etwa eine geringere Sprödigkeit.

Einen ähnlichen Ansatz verwenden Hersteller von Quantenrechnern. Sie verwenden statt Hitze starke Magnetfelder, um die Quanten-Bits zu kontrollieren und in die Superposition zu manövrieren. Fujitsu hat beim Digital Annealing diesen Mechanismus in konventioneller Halbleitertechnologie gewissermaßen nachgebaut. Ein Digital Annealer teilt ein Problem in viele Teilaspekte auf, die simultan in einzelnen Threads bearbeitet werden. Das Ganze läuft in iterativen Schritten ab. Das heißt, in vielen parallelen Berechnungen nähert sich der Digital Annealer der optimalen Lösung für ein Problem an. Durch diesen Ansatz können Unternehmen und Forschungseinrichtungen mit einem solchen System bereits heute mit überschaubarem Aufwand Erfahrungen mit Quantencomputing-Effekten und entsprechenden Anwendungen sammeln.

Ein Klassiker: Das Problem des Handlungsreisenden. Solche Systeme sind für Berechnungen prädestiniert, in denen viele mögliche Kombinationen anfallen. Ein klassisches Beispiel ist das »Problem des Handlungsreisenden«. Ein Vertriebsmitarbeiter will Kunden in fünf Städten besuchen. Seine Vorgabe: Jeder Kunde und damit jede Stadt wird nur einmal aufgesucht. Nun soll die optimale, sprich kürzeste Reiseroute berechnet werden.

Bereits bei der überschaubaren Zahl von fünf Orten ergeben sich 120 mögliche Routen. Bei 32 Städten ist eine exponentielle Zunahme der Optionen festzustellen – auf 2,63 x 10³⁵ mögliche Varianten, die analysiert werden müssen. Während selbst Highend-Server für derartige Berechnungen meist Stunden benötigen, können Digital-Annealing-Systeme solche Probleme in Sekundenschnelle lösen.

Einsatzbeispiel: Optimierung von Wegen in der Logistik. Vor ähnlichen Herausforderungen wie der fiktive Handlungsreisende stehen Fachleute in Bereichen wie der Logistik. Auch dort ist es notwendig, Transportwege zu reduzieren. Ein Beispiel ist die Lagerlogistik in Fertigungsumgebungen. Die Herausforderung besteht darin, mit möglichst geringem Aufwand Material aus dem Lager zu den Fertigungssystemen zu transportieren. Dieser Faktor wird immer wichtiger, weil der Trend in Richtung individuelle Produkte geht. Das heißt, je nach Bestellung müssen an den Bearbeitungsstationen unterschiedliche Rohmaterialien angeliefert werden.

Mithilfe des Digital Annealings kann ein Unternehmen die optimale Route ermitteln, die Lagerarbeiter nehmen müssen, um die benötigen Materialien aus den Regalen zu entnehmen und zum Bearbeitungsort zu transportieren. Außerdem kann ein Quantencomputing-inspiriertes System berechnen, wo und wie die Regale am besten platziert werden müssen. Auch bei akuten Störungen lassen sich Neudispositionen in Echtzeitbedingungen umsetzen.

In Forschung und Entwicklung spielt das Digital Annealing ebenfalls seine Vorteile aus, etwa in der Chemie und Pharmazie. Dort suchen Forscher häufig nach Molekülen, die einander ähneln. Solche Arbeiten können mithilfe von Quantencomputing-inspirierten Technologien deutlich schneller durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, neue Medikamente und Kunststoffe wesentlich rascher und kostengünstiger als bisher zu entwickeln.

Das Herzstück des Digital Annealer: Die Digital Annealing Unit ist dafür ausgelegt, komplexe kombinatorische Problemstellungen zu lösen, die konventionelle Rechner überfordern. Für Unternehmen bietet es sich an, Quantencomputing-inspirierte Systeme »as a Service« in Form eines Cloud-Dienstes zu buchen. Aber auch Installationen im eigenen Rechenzentrum sind eine denkbare Variante.

Komplexe Analysen im Finanzbereich. Zu den Branchen, die in besonderem Maße für den Einsatz von Quantencomputing oder Quantencomputing-inspirierten Lösungen prädestiniert sind, zählt der Finanzsektor. So hat Fujitsu beim britischen Finanzdienstleister NatWest ein »Proof of Concept«-Projekt (PoC) umgesetzt. Das Unternehmen nutzt die Fähigkeiten des Digital Annealers, um seinen Bestand an hochwertigen liquiden Vermögenswerten zu optimieren, etwa Bonds, Bargeld und Staatsanleihen. Das heißt, es müssen ständig Tausende von Optionen überprüft werden, um eine optimale Rendite bei einem akzeptablen Risiko zu erzielen.

Fachleute der Bank sind mit dem Digital Annealer in der Lage, komplizierte Berechnungen 300-mal schneller durchzuführen als mit Standardrechnern, und das zudem mit einer höheren Genauigkeit. Außerdem verringert der Einsatz des Systems das Risiko von menschlichen Fehlern.

Leichter Einstieg per Cloud. Unternehmen, die eine High-Performance-Computing-Lösung wie den Digital Annealer nutzen möchten, müssen nicht zwangsläufig ein solches System im eigenen Rechenzentrum implementieren. Eine Möglichkeit besteht darin, die Ressourcen »as a Service« zu buchen, also als Cloud-Dienst. Der Digital Annealer Cloud Service wird über Application Programming Interfaces (APIs) an die Unternehmens-IT angebunden. Wichtig ist allerdings, dass Nutzer auf die Unterstützung von externen Fachleuten zurückgreifen können. Denn Quantencomputing-inspirierte Rechner erfordern ein spezielles Know-how. So müssen Problemlösungen und die damit verknüpften Fragestellungen in spezielle mathematische Modelle und Applikationen umgesetzt werden, die ein Digital Annealer verwenden kann. So ist es notwendig, die Ausgangsfragen in QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) zu »übersetzen«.

Hilfestellung bei solchen Aufgaben sowie bei der Implementierung und dem Betrieb eines Quantencomputing-inspirierten Rechners gibt beispielsweise der Digital Annealer Technical Service von Fujitsu. Solche Services sind auch dann hilfreich, wenn ein Unternehmen einen Digital Annealer im eigenen Rechenzentrum implementieren möchte.

Ausblick: Mehr Rechenkapazität und höhere Präzision. Die Leistung Quantencomputing-inspirierter Systeme steigt derzeit massiv: Die im März 2019 vorgestellte zweite Generation des Digital Annealers von Fujitsu unterstützt Modelle bis zu einer Größe von 8.192 Bit, achtmal mehr als die erste Generation. Die Genauigkeit steigt von 16 Bit auf 64 Bit. Damit sind die Systeme in der Lage, noch komplexere Berechnungen durchzuführen als bislang.

Solche Leistungssteigerungen sind alles andere als eine »technische Spielerei«. Denn eines ist klar: Herkömmliche Rechner stoßen in vielen Bereichen an ihre Leistungsgrenzen. Somit gehört die Zukunft Technologien wie dem Digital Annealing.

Christian Leutner,
Vice President and
Head of Product Sales
bei Fujitsu

Bilder: © Studio Barcelona/shutterstock.com, Fujitsu

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Christian Leutner, Vice President and Head of Product Sales bei Fujitsu

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Head of Product Sales
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